JP2005012963A

JP2005012963A - 可動磁石形リニアモータ

Info

Publication number: JP2005012963A
Application number: JP2003176257A
Authority: JP
Inventors: Ryuichiro Tominaga; 竜一郎富永
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2003-06-20
Filing date: 2003-06-20
Publication date: 2005-01-13

Abstract

【課題】１つの固定子に複数の可動子を配置した場合に、固定子上で複数の可動子を同期運転させることができ、可動子側に動力線や信号線などの接続を必要としない可動磁石形リニアモータを提供する。
【解決手段】本リニアモータは３相のリニアモータであって、固定子を可動子１０１および１０２のスライド方向に電気的に３分割してあり（固定子２Ａ、２Ｂおよび２Ｃ）、該分割された複数の固定子のうち、両端に位置する固定子２Ａ、２Ｃには固定子に対する可動子のスライド方向の位置を検出するリニアエンコーダを具備したものであり、このリニアエンコーダは、可動子１０１、１０２に配設された光学式のリニアスケール６と該リニアスケール６に対向して固定子の両端に配設されて該リニアスケール６を検出するセンサヘッド７Ａ、７Ｂとから構成される光学式リニアエンコーダとなっている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、電気部品実装装置、半導体関連装置あるいは工作機械などの各種産業機械に使用されると共に、その直動機構の駆動用に好適なリニアモータに関し、特に永久磁石よりなる界磁を可動子とし、電機子巻線を有した電機子を固定子として、電機子巻線を励磁することにより、界磁と電機子とで作られる移動磁界により可動子を直線運動させる可動磁石形リニアモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、電気部品実装装置、半導体関連装置あるいは工作機械などのハンドリング、搬送、装着などを行うための各種産業機械に使用されると共に、その直動機構の駆動装置として好適なリニモータが実用化されている。その中で、界磁を備えた可動子を、電機子を備えた固定子と対向させ、摺動可能に支持することて直線運動を行うようにした、高性能な可動磁石形リニアモータが提案されている。（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−１４０３３０号公報
【０００４】
図４は従来の可動磁石形リニアモータであって、（ａ）はその側断面図、（ｂ）はその駆動回路の結線図、（ｃ）はその各相コイルへの通電シーケンスである。なお、図４（ｃ）の横軸は時間の経過を示している。
図４（ａ）において、３１は可動子、３２は可動子ヨーク、３３ａ〜３３ｆは永久磁石、３４は固定子、３５ａ〜３５ｄはコイル、３６は固定子ヨークである。
リニアモータは、界磁を構成する複数の永久磁石３３ａ〜３３ｆを配置した可動子３１を、コイル３５を複数個配置した固定子３４と対向させ、該コイル３５を電気角３６０°±６０°相当の略等間隔（磁石間隔の５／３倍）で固定子ヨーク３６上に４個配置し、各コイルの一端を共通に、他端を相端子に夫々結線して構成してなる電機子を備えたものとなっている。なお、可動子を案内支持するスライダとガイドレールよりなるリニアガイド（直動軸受ユニット）は図示を省略する。
【０００５】
次に動作を説明する。
今、例えば永久磁石３３ａ〜３３ｂの境界部がコイル３５ａの中心位置にあるときを想定すると、コイル３５ａとコイル３５ｃに図示の方向の電流が流れ、可動子３１と固定子３４の夫々の磁極が吸引・反発を行い右行きの推力を発生する。左行きの場合は電流の流し方は逆方向にする。それらの電機子コイルを励磁する駆動回路の結線が図４（ｂ）に示されており、直流電源の正・負端子からの直流電圧を、５１、５３、５５、５７の上段アームのトランジスタと５２、５４、５６、５８の下段アームのトランジスタを介して、４相のコイル通電を行う。それらの各相への通電のシーケンスの一例を図４（ｃ）に表すと共に、横軸に時間経過を取り、通電のシーケンスが右行きの時は左から右に時間を取り、左行きの時はその逆となる。そして通電するアームのトランジスタをそれらの時点において、対応する上段アームと下段アームを同時にオンの状態にし、その他はオフの状態とするものであり、所謂インバータ制御手段を示している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の可動磁石形リニアモータでは、位置センサに例えば、リニアエンコーダを適用した場合、可動子（界磁側）にリニアスケールを装着し、それに対向して固定子（電機子）側にセンサヘッドを配設したものとなっている。ところが、位置センサの信号により可動子と電機子の相対位置を検出し、位置に応じて通電電流を制御する必要があるため、１つの固定子に１つの可動子しか配置することができない。従って、１つの固定子に対して複数の可動子を配置する用途の必要性が生じた場合に、複数の可動子を同時に駆動することができないという問題があった。
また、可動コイル形リニアモータでは同一の界磁固定子上で電機子を備えた複数の可動子を独立に駆動することは可能であるが、可動子側に動力線、センサの信号線を接続して、可動子の駆動時に動力線や信号線を引き回す必要があり、また、冷却条件により液冷が必要な場合は冷媒を供給する配管も可動子に接続することから、摩擦力が大きくなり、位置決め精度、パーティクルの発生などの問題があった。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、１つの固定子に複数の可動子を配置した場合に、固定子上で複数の可動子を同期運転させることができる共に、可動子側に動力線や信号線などの接続を必要としない可動磁石形リニアモータを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、請求項１の発明は、交互に極性が異なるように直線状に隣り合わせに並べて配置した複数の永久磁石よりなる界磁を可動子とし、界磁と磁気的空隙を介して対向配置される電機子巻線を有した電機子を固定子として構成する可動磁石形リニアモータにおいて、前記固定子を前記可動子のスライド方向に少なくとも３分割し、前記分割された複数の固定子のうち、両端に位置する固定子には該固定子に対する前記可動子のスライド方向の位置を検出するリニアエンコーダを具備しており、前記両端の固定子には単独で電流位相、電流周波数を制御可能な所定相数の駆動回路を接続すると共に、前記両端の固定子を除く他の固定子には一定の電流周波数、電流位相となる所定相数の電流を印加可能な駆動回路を少なくとも１つ接続したものである。
請求項２の発明は、請求項１に記載の可動磁石形リニアモータにおいて、前記リニアエンコーダを、前記可動子に配設された光学式のリニアスケールと前記リニアスケールに対向して前記固定子の両端に配設されて前記リニアスケールを検出するセンサヘッドとから構成される光学式リニアエンコーダとしたものである。
請求項３の発明は、請求項１に記載の可動磁石形リニアモータにおいて、前記両端の固定子に接続される駆動回路をサーボアンプで構成すると共に該固定子を上位のコントローラによって速度自在に制御できるようにしてあり、前記両端の固定子を除く他の固定子に接続される駆動回路をインバータで構成すると共に該固定子を所定の速度で移動磁界を発生するようにしたものである。
請求項４の発明は、請求項１に記載の可動磁石形リニアモータにおいて、前記両端の固定子の位置には夫々独立して走行制御するように前記可動子を一つ以下配置すると共に、前記両端の固定子を除く他の固定子には、前記可動子を少なくとも１つ設けてあり、前記両端の固定子の位置に配置される可動子が前記両端の固定子を除く他の位置に配置される固定子に移る際、または可動子が前記両端の固定子を除く他の位置に配置される固定子から前記両端位置に移る際、両端部の固定子の電流周波数、電流位相が前記両端の固定子を除く他の固定子の電流周波数および電流位相と同期するようにしたものである。
上記手段により、１つの固定子で複数の可動子を配置することで、可動子側に動力線や信号線などの接続を必要としないリニアモータを提供することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図に基づいて具体的に説明する。
図１は本発明の実施例を示す可動磁石形リニアモータの構成図、図２はリニアモータ部の構造を詳細に示したものであって、（ａ）は図１のＹ−Ｙ´線に沿う断面図、（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ´線に沿う断面図である。
図１および図２において、１、１０１および１０２は可動子、２Ａ、２Ｂおよび２Ｃは固定子、３はテーブル、４はスライダ、５はガイドレール、６はリニアスケール、７Ａ、７Ｃはセンサヘッド、８Ａ、８Ｃはサーボアンプ、９はインバータ、１０はコントローラ、１１は永久磁石、１２は可動子ヨーク、２０は固定子ベース、２１は電機子巻線（コイル）、２２は固定子ヨークである。このうち、スライダ４とガイドレール５とでリニアガイドを構成し、リニアスケール６とセンサヘッド７とでリニアエンコーダを構成している。
【００１０】
本発明の特徴は以下のとおりである。
すなわち、本リニアモータは３相のリニアモータであって、固定子を可動子１０１および１０２のスライド方向に電気的に３分割してあり（固定子２Ａ、２Ｂおよび２Ｃ）、該分割された複数の固定子のうち、両端に位置する固定子２Ａ、２Ｃには固定子に対する可動子のスライド方向の位置を検出するリニアエンコーダを具備した点である。このリニアエンコーダは、可動子１０１、１０２に配設された光学式のリニアスケール６と該リニアスケール６に対向して固定子の両端に配設されて該リニアスケール６を検出するセンサヘッド７Ａ、７Ｂとから構成される光学式リニアエンコーダとしたものとなっている。また、走行精度の低下を防ぐため、２つの可動子１０１および１０２がリニアガイドを介して移動自在に取付けられている
また、両端の固定子２Ａ、２Ｃには駆動回路（サーボアンプＡ、Ｃ）を接続してあり、一方のサーボアンプＡは位置信号Ａとコントローラ１０の位置指令に基き、単独で固定子Ａに所定の電流位相、電流周波数を持った３相電流を供給し、他方のサーボアンプＣは位置信号Ｃとコントローラ１０の位置指令に基き、単独で固定子Ｃに所定の電流位相、電流周波数を持った３相電流を供給するようになっている。また、両端の固定子を除く他の固定子２Ｂには、コントローラ１０の周波数指令により、一定の電流周波数、電流位相となる所定相数の電流を印加可能な駆動回路（インバータ９）を１つ接続したものとなっている。
【００１１】
次に、図２を用いてリニアモータ部の詳細を説明する。
可動子１はテーブル３、可動子ヨーク１２、永久磁石１１により構成される。軟磁性材料で構成された可動子ヨーク１２上に、交互に極性が異なるように界磁を構成する複数の永久磁石１１が直線状に隣り合わせに並べて配置され、接着により固定されている。
また、固定子は、固定子ベース２０、電機子巻線２１、固定子ヨーク２２より構成される。電機子を構成する電機子巻線２１は界磁と磁気的空隙を介して対向配置されると共に、該電機子巻線２１は軟磁性材料からなる固定子ヨーク２２上に絶縁材（不図示）を介して固着されると共に、所定の起磁力分布が得られるよう結線されている。また、固定子ヨーク２２は、固定子ベース２０に図示しないボルトにより固定してある。、なお、可動子ヨーク１２はテーブル３に図示しないボルトにより固定される。テーブル３にはスライダ４が取付けられており、固定子ベース２０に設置されたガイドレール５により、固定子２に対して可動自在に固定される。
【００１２】
次に動作について説明する。
まず、図１において、可動子１０１を固定子Ａから固定子Ｃに移動する場合、可動子１０１は固定子２Ａ上に静止しており、固定子２Ｂにはインバータ９により規定速度Ｖの移動磁界が印加されている。インバータ９には電流位相信号を出力できるようにしておき、この電流位相信号をコントローラ１０に入力する。
可動子１０１に取付けたリニアスケール６と固定子２Ａに取付けたセンサヘッド７Ａによる位置信号とコントローラ１０から出された位置指令がサーボアンプ８Ａに入力され、可動子１は移動を開始する。固定子２Ａ上で可動子１０１を加速し、可動子１０１が固定子２Ａから固定子２Ｂに移るタイミングで、図３に示すように固定子２Ａの移動磁界の速度と電流位相が固定子２Ｂと一致するようサーボアンプ８Ａを制御し、固定子２Ｂ上に可動子１が移ると、一定の周波数で駆動する、オープンループの同期電動機として動作する。
次に、可動子１０１が固定子２Ｂから固定子２Ｃに移る場合は、固定子２Ｃに取付けられたセンサヘッド７Ｃと可動子１０１に取付けたリニアスケール６による位置信号とコントローラ１０からの位置指令がサーボアンプ８Ｃに入力され、固定子２Ｃの移動磁界の速度と電流位相が固定子２Ｂと一致するようサーボアンプ８Ｃを制御する。可動子１０１が固定子２Ｃ上に完全に移れば、通常のリニアサーボモータと同様に駆動できる。
【００１３】
したがって、本発明の実施例は、固定子を可動子１０１および１０２のスライド方向に電気的に３分割してあり（固定子２Ａ、２Ｂおよび２Ｃ）、該分割された複数の固定子のうち、両端に位置する固定子２Ａ、２Ｃには固定子に対する可動子のスライド方向の位置を検出するリニアエンコーダを具備した構成、このリニアエンコーダを、可動子１０１、１０２に配設された光学式のリニアスケール６と該リニアスケール６に対向して固定子の両端に配設されて該リニアスケール６を検出するセンサヘッド７Ａ、７Ｂとから構成される光学式リニアエンコーダとした構成にしたので、固定子２Ｂ上では複数の可動子を同期運転させることができる。また、固定子が３分割されているため、各固定子に少なくとも１つの可動子を同時に駆動させることができる。総じて、可動子は動力線や信号線などの配線が不要となるため、摩擦力が小さくでき、駆動ケーブル引き回しによるパーティクルも発生せず、環境を汚染しないなどの効果がある。
【００１４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、交互に極性が異なるように直線状に隣り合わせに並べて配置した複数の永久磁石よりなる界磁を可動子とし、界磁と磁気的空隙を介して対向配置される電機子巻線を有した電機子を固定子として構成する可動磁石形リニアモータにおいて、該固定子を該可動子のスライド方向に少なくとも３分割し、該分割された複数の固定子のうち、両端に位置する固定子には該固定子に対する可動子のスライド方向の位置を検出するリニアエンコーダを具備しており、該両端の固定子には単独で電流位相、電流周波数を制御可能な所定相数の駆動回路を接続すると共に、該両端の固定子を除く他の固定子には一定の電流周波数、電流位相となる所定相数の電流を印加可能な駆動回路を少なくとも１つ以上接続する構成にしたため、固定子上では複数の可動子を同期運転させることができる。
また、固定子が３分割されているため、各固定子に少なくとも１つの可動子を同時に駆動させることができる。総じて、可動子は動力線や信号線などの配線が不要となるため、摩擦力が小さくでき、駆動ケーブル引き回しによるパーティクルも発生せず、環境を汚染しないなどの効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す可動磁石形リニアモータの構成図
【図２】リニアモータ部の構造を詳細に示したものであって、（ａ）は図１のＹ−Ｙ´線に沿う断面図、（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ´線に沿う断面図
【図３】本発明の実施例を示す電流波形
【図４】従来の可動磁石形リニアモータであって、（ａ）はその側断面図、（ｂ）はその駆動回路の結線図、（ｃ）はその各相コイルへの通電シーケンス図
【符号の説明】
１、１０１、１０２可動子
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ固定子
３テーブル
４スライダ
５ガイドレール
６リニアスケール
７Ａ、７Ｃセンサヘッド
８Ａ、８Ｃサーボアンプ
９インバータ
１０コントローラ
１１永久磁石
１２可動子ヨーク
２０固定子ベース
２１電機子巻線
２２固定子ヨーク

Claims

交互に極性が異なるように直線状に隣り合わせに並べて配置した複数の永久磁石よりなる界磁を可動子とし、界磁と磁気的空隙を介して対向配置される電機子巻線を有した電機子を固定子として構成する可動磁石形リニアモータにおいて、
前記固定子を前記可動子のスライド方向に少なくとも３分割し、
前記分割された複数の固定子のうち、両端に位置する固定子には該固定子に対する前記可動子のスライド方向の位置を検出するリニアエンコーダを具備しており、
前記両端の固定子には単独で電流位相、電流周波数を制御可能な所定相数の駆動回路を接続すると共に、前記両端の固定子を除く他の固定子には一定の電流周波数、電流位相となる所定相数の電流を印加可能な駆動回路を少なくとも１つ接続したことを特徴とする可動磁石形リニアモータ。
前記リニアエンコーダは、前記可動子に配設された光学式のリニアスケールと前記リニアスケールに対向して前記固定子の両端に配設されて前記リニアスケールを検出するセンサヘッドとから構成される光学式リニアエンコーダであることから成る請求項１に記載の可動磁石形リニアモータ。
前記両端の固定子に接続される駆動回路をサーボアンプで構成すると共に該固定子を上位のコントローラによって速度自在に制御できるようにしてあり、
前記両端の固定子を除く他の固定子に接続される駆動回路をインバータで構成すると共に該固定子を所定の速度で移動磁界を発生するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の可動磁石形リニアモータ。
前記両端の固定子の位置には夫々独立して走行制御するように前記可動子を一つ以下配置すると共に、前記両端の固定子を除く他の固定子には、前記可動子を少なくとも１つ設けてあり、前記両端の固定子の位置に配置される可動子が前記両端の固定子を除く他の位置に配置される固定子に移る際、または可動子が前記両端の固定子を除く他の位置に配置される固定子から前記両端位置に移る際、両端部の固定子の電流周波数、電流位相が前記両端の固定子を除く他の固定子の電流周波数および電流位相と同期するようにしたものであることを特徴とする請求項１に記載の可動磁石形リニアモータ。